貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)-論文

1、貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)-論文貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)         AbstractSince its well compact design and low noise characteristics, Cross-Flow fan are increasingly used in rear cooling units of minivans. In this thesis, for using the Cross-Flow fan to send air in

2、 the family hanging air conditioner, we use the FLUENT software to simulate the flow-field of 2D Cross-Flow fan. And the numerical simulation work was successfully done. Compared with the result of experiment and of others, this result of numerical simulation is according with the experiment.At the

3、same time, we simulated the flow-field of the Double-Fan model, and compared with the result of experiment. We found that the result of simulation is according with experiment.In this thesis, we want to supply a new method for the design of Cross-Flow fan, using the numerical simulation.Keyword: Cro

4、ss-Flow fan, numerical simulation, unstructured grid, pressure field, velocity field.    摘     要    貫流風(fēng)機(jī)以其流量大，低噪聲，送風(fēng)平穩(wěn)等優(yōu)良特性在空調(diào)設(shè)備和小型送風(fēng)設(shè)備中廣為應(yīng)用。本文針對(duì)家用壁掛式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)部分，采用貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)的特點(diǎn)，運(yùn)用FLUENT軟件，對(duì)2D貫流風(fēng)機(jī)流場模型進(jìn)行了較成功的數(shù)值模擬計(jì)算。并與實(shí)驗(yàn)和他人的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。同時(shí)，對(duì)雙葉輪風(fēng)機(jī)的流場模型進(jìn)

5、行了數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。本文試圖通過數(shù)值模擬的方法，為貫流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供新的方法。關(guān)鍵詞：貫流風(fēng)機(jī)、數(shù)值模擬、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、壓力場、速度場。目  錄  致謝  摘要第一章 緒論       1§ 1.1  問題背景       1§ 1.2  數(shù)值計(jì)算方法       2§ 1.3  本文的主要工作&

6、#160;    3第二章  貫流風(fēng)機(jī)的工作原理       4§ 2.1  風(fēng)機(jī)的概述       4§ 2.2  貫流式風(fēng)機(jī)的工作原理       5§ 2.3  貫流式風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的流動(dòng)分析       9  第三章  數(shù)值計(jì)算      11&

7、#160; § 3.1  模型的建立及網(wǎng)格的劃分      11         §3.1.1  結(jié)構(gòu)的簡化和求解區(qū)域的劃分      11         §3.1.2  求解區(qū)域網(wǎng)格的劃分      12§ 3.2  求解方法與過程&#

8、160;     14第四章  計(jì)算結(jié)果與分析      15§ 4.1  壓力場的結(jié)果與分析      15§ 4.2  流場的結(jié)果與分析      16§ 4.3  流量的分析      19§ 4.4  小結(jié)      19第五章  雙風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析&#

9、160;     20§ 5.1  工業(yè)背景      20§ 5.2  雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析      21       § 5.2.1  數(shù)值計(jì)算     21§ 5.2.2  計(jì)算結(jié)果及分析     23  §5.3   小結(jié)

10、0;     27第六章  經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)      28參考文獻(xiàn)      924貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝) 第一章      緒    論§1.1   問題背景貫流風(fēng)機(jī)是一類特殊的通風(fēng)機(jī)械，與離心式風(fēng)機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)相比較，貫流風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、產(chǎn)生的氣流平穩(wěn)、動(dòng)壓系數(shù)較高而作用距離較長及噪聲低等特點(diǎn)，近來被廣泛應(yīng)用于家用電器和空

11、調(diào)設(shè)備等低壓通風(fēng)換氣的場合，特別是在分體式空調(diào)的室內(nèi)機(jī)中。然而由于貫流風(fēng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，加上其流動(dòng)的非對(duì)稱性與復(fù)雜性，使得對(duì)其性能的影響因素不甚明了，至今沒有公認(rèn)的設(shè)計(jì)理論。目前，國內(nèi)的很多空調(diào)廠家都直接引進(jìn)國外成熟的技術(shù)，進(jìn)行COPY，獨(dú)立開發(fā)的新產(chǎn)品很少，即使憑經(jīng)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行開發(fā)嘗試，也會(huì)因?yàn)槟＞叱杀具^高、開發(fā)周期過長而造成了巨大的浪費(fèi)，顯然不能滿足國內(nèi)空調(diào)市場對(duì)其性能提出的要求，更阻礙了國內(nèi)空調(diào)廠家參與國際競爭。因此，對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的流場從理論上進(jìn)行分析，搞清其性能的影響因素已成為迫切需要。近年來，圍繞著貫流風(fēng)機(jī)的研究，日本發(fā)展的相對(duì)較多。村田 暹1等人曾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在流場中取幾百個(gè)點(diǎn)

12、進(jìn)行多次測量，此項(xiàng)工作大約耗了幾千個(gè)工作人時(shí)，但其結(jié)果卻不甚理想，得到的只是局部平均和統(tǒng)計(jì)意義上的流場信息，缺少對(duì)細(xì)致和瞬態(tài)流場結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，難以有較強(qiáng)的說服力。在數(shù)值分析方面有赤池 茂2等人所做的工作，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過映射對(duì)圓形求解域進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果尚可。受我國空調(diào)工業(yè)現(xiàn)狀的的限制，近幾年，國內(nèi)在這一問題上開展的工作較少，且大多是進(jìn)行工程化的、應(yīng)用層的半定量的測量與分析，而不是理論上的研究。華中理工大學(xué)的游斌、區(qū)穎達(dá)4采用工程分析方法，在大量測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，方差分析得出各參數(shù)對(duì)性能的影響。上海交通大學(xué)制冷研究所的顧健明、陸明琦3在空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題文中，用較簡單的進(jìn)出口速度三

13、角形分析，對(duì)各參數(shù)的選擇給出了半定量的確定方法。不過由于貫流風(fēng)機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)或離心風(fēng)機(jī)不同，氣流流經(jīng)葉輪時(shí)總有一部分處于大攻角流動(dòng)狀態(tài)，后緣損失嚴(yán)重，故速度三角形分析給出的結(jié)果誤差較大，采用一些工程修正可望得以改善。這些研究僅關(guān)注進(jìn)出口的流動(dòng)狀態(tài)，未能對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行分析，因此對(duì)總體流動(dòng)情況缺乏完整的刻畫。各大風(fēng)機(jī)葉輪生產(chǎn)廠家，采用純工程的手段也對(duì)其進(jìn)行了不少的分析，研究，積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。例如，安徽省天長市的天大集團(tuán)屬下的工程塑料廠，擁有較完備的測試實(shí)驗(yàn)室，對(duì)每一款新產(chǎn)品進(jìn)行各方面的測試，積累了大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是以后對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究的寶貴資料。§1.2 

14、60; 數(shù)值計(jì)算方法一、有限差分法在非線性微分方程的數(shù)值求解中，有限差分以其基礎(chǔ)深厚、簡便高效、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)而占計(jì)算流體力學(xué)的主導(dǎo)地位，并且其基本理論已發(fā)展的較為完善。各種差分格式也發(fā)展的較為成熟，比較經(jīng)典的有以Lax-Windroff格式為代表的中心格式，非中心的Maccormac格式、Warming-Beam格式、TVD格式、ENO格式、通量分裂格式等。由于有限差分格式本質(zhì)上是使用 這樣的差分來代替 ，這種近似是在正交基礎(chǔ)上進(jìn)行的，為了滿足貼體性、光滑性，一般要將物理空間的非正交網(wǎng)格進(jìn)行變換，變換到正交空間進(jìn)行計(jì)算。這種變換的要求使有限差分法對(duì)復(fù)雜邊界條件下的求解難以運(yùn)用自如，從而限制了

15、有限差分法的應(yīng)用。二、有限體積法有限體積法是一種介于有限差分和有限元之間的方法，其原理是將微分方程在控制體上積分，根據(jù)Green定理，將梯度項(xiàng)的體積積分化為面積分，此面積分可用近似代數(shù)式來代替，從而使微分方程組離散為代數(shù)方程組，求解這個(gè)方程組來近似原方程的解。因有限體積法在離散過程進(jìn)行了較大的近似，所以一般來說，有限體積法的精度沒有有限差分的高。但這可通過構(gòu)造高精度格式、采用預(yù)估校正等手段來進(jìn)行改善。有限體積法的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是有限體積法與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有機(jī)的結(jié)合在一起之后，對(duì)于復(fù)雜幾何邊界具有良好的貼體性和相當(dāng)高的計(jì)算效率，并能很容易的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。這是有限差分及一般的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格所無法比擬的。三、非

16、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在空間離散方面，總體可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，（也有兩種方法結(jié)合的使用，采用多重網(wǎng)格，在近邊界區(qū)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其它區(qū)還用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格）結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在拓?fù)渖蠈⒐?jié)點(diǎn)定義在矩形內(nèi)的格線交點(diǎn)上，他與有限差分與生俱來，對(duì)于簡單邊界，具有良好的適用性，其發(fā)展也較為完備。到80年代中期，對(duì)于簡單邊界問題，歐拉方程采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用差分法求解已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確高效。但對(duì)于復(fù)雜邊界，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格要做到良好的貼體與光滑極不容易，數(shù)值求解法遇到了困難。解域空間的合理離散成為問題的關(guān)鍵。由三角形單元（對(duì)3D是四面體）構(gòu)成的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則完全克服了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的局限，三角形具有天然的貼體性，因而其能較好的覆蓋任意不規(guī)則的邊界區(qū)域的單元

17、。由于這一優(yōu)點(diǎn)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理復(fù)雜邊界變得十分簡單，不僅如此，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還很容易控制網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)密度，甚至可以動(dòng)態(tài)的進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與之難以相比的靈活性。一般說來，對(duì)于需要自適應(yīng)的計(jì)算，應(yīng)考慮采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。§1.3   本文的主要工作本文是以FLUENT軟件為計(jì)算工具。首先，對(duì)FLUENT軟件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與研究，對(duì)FLUENT軟件有了比較深入地了解。其次，運(yùn)用該軟件，根據(jù)實(shí)際的情況來建立貫流風(fēng)機(jī)的模型，設(shè)置了邊界條件和初始條件，對(duì)貫流風(fēng)機(jī)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。第三，把本次數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他人做過的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了

18、在運(yùn)用FLUENT的過程中的所得與所失，得出了一些結(jié)論。最后，又把貫流風(fēng)機(jī)的模型進(jìn)行了擴(kuò)展，改為雙風(fēng)機(jī)的模型，對(duì)雙風(fēng)機(jī)的模型也進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)比單風(fēng)機(jī)與雙風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)缺點(diǎn)。貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)第二章    貫流風(fēng)機(jī)的工作原理§2.1   風(fēng)機(jī)的概述風(fēng)機(jī)是用于輸送氣體的機(jī)械。從能量的角度來說，風(fēng)機(jī)的是一種把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體能量的一種機(jī)械裝備。目前，在分體式空調(diào)中，主要使用離心式風(fēng)機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)和貫流式風(fēng)機(jī)。這三種常見的風(fēng)機(jī)，其特征、性能的對(duì)比見表2-1。  &

19、#160;   表2-1  離心式、軸流式及貫流式風(fēng)機(jī)的特征、性能對(duì)比    名     稱 特    征      性     能離心式風(fēng)機(jī) 軸向進(jìn)氣，徑向排氣 靜壓適中，風(fēng)量較大軸流式風(fēng)機(jī) 軸向進(jìn)氣，軸向排氣   靜壓較小，風(fēng)量較大    貫流式風(fēng)機(jī) 氣流從一側(cè)葉柵進(jìn)入，穿過

20、轉(zhuǎn)子內(nèi)部，從另一側(cè)葉柵排出   靜壓較小，風(fēng)量適中如離心式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（圖2-1）所示，它的工作原理是：氣流先沿旋轉(zhuǎn)軸由軸向進(jìn)入葉片通道，葉片旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，氣體被壓縮并拋向葉輪外緣，沿外殼流出。氣體在離心式風(fēng)機(jī)中的流動(dòng)先為軸向，后轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谕L(fēng)機(jī)軸的徑向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣體通過旋轉(zhuǎn)葉輪的葉道時(shí)，由于葉片的作用，氣體獲得能量，也就是氣體的壓力提高，以及動(dòng)能增加。                 

21、0;             圖2-1  離心式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如軸流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（圖2-2）所示，它的工作原理是：氣流沿軸向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片通道，由于葉片與氣體相互作用，氣體被壓縮并沿軸向排出。氣體從集風(fēng)器進(jìn)入，通過葉輪使氣流獲得能量，然后流入導(dǎo)葉，導(dǎo)葉將一部分偏轉(zhuǎn)的氣流動(dòng)能變?yōu)殪o壓能，然后從擴(kuò)散孔流出，輸入管路。相對(duì)于離心式通風(fēng)機(jī)而言，軸流式風(fēng)機(jī)具有流量大，體積小，壓頭低的特點(diǎn)。       &#

22、160;    圖2-2   軸流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如貫流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（2-3）所示，它的工作原理是：氣流橫貫旋轉(zhuǎn)葉道，受到葉片作用而升高壓力。相比離心式和軸流式風(fēng)機(jī)，它具有較大的出風(fēng)面積，動(dòng)壓較高，氣流較穩(wěn)定，而它細(xì)長的出口截面尤其適用于家用壁掛式空調(diào)器中。      圖2-3   貫流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 §2.2   貫流式風(fēng)機(jī)的工作原理貫流式風(fēng)機(jī)與軸流式或離心式風(fēng)機(jī)不同，是按另一種方式工作的風(fēng)機(jī)。有一個(gè)筒形的多葉葉輪轉(zhuǎn)子，氣流沿著與轉(zhuǎn)子軸線垂直

23、的方向，從轉(zhuǎn)子一側(cè)的葉柵進(jìn)入葉輪，穿過葉輪內(nèi)部，通過另一側(cè)的葉柵將氣流排出，如圖2-4所示。蝸舌、蝸殼是貫流式風(fēng)機(jī)的兩個(gè)重要的組成部分。單純的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在無擾動(dòng)的情況下，由于各向同性，氣流在軸心處形成蝸心，這時(shí)并無氣流流出，由于蝸舌的存在，使得在葉輪中靠近蝸舌的地方出現(xiàn)了旋渦，從而氣流可以在葉輪內(nèi)部扭轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣體從進(jìn)口截面到出口截面的流動(dòng)。在蝸舌、蝸殼的共同作用下，氣流可以沿著較為集中的方向流出。            圖2-4   貫流式風(fēng)機(jī)的工作示意圖（一）

24、 速度三角形速度三角形方法對(duì)于在理論上分析離心式和軸流式風(fēng)機(jī)的流動(dòng)特性，是比較不錯(cuò)的，但對(duì)于貫流式風(fēng)機(jī)來說誤差比較大。雖然如此，速度三角形法仍是分析貫流風(fēng)機(jī)特性的基礎(chǔ)理論，如果加上一些工程修正可以改善分析的結(jié)果，得到比較理想的結(jié)果。下面就用速度三角形法分析一下氣體流過貫流風(fēng)機(jī)時(shí)的一些特征。我們可以畫出第一葉柵和第二葉柵的進(jìn)出口速度三角形。若取內(nèi)圓周的葉片角 ，可得速度三角形如圖2-5所示。              圖2-5-1 葉柵進(jìn)口的速度三角形 &#

25、160;     圖2-5-2 葉柵出口的速度三角形根據(jù)動(dòng)量定理，就整個(gè)葉輪的能量轉(zhuǎn)換而言，只取決于葉輪葉柵總的進(jìn)口和出口因素，而不需要去研究發(fā)生在葉輪內(nèi)的氣流情況。為此，可把貫流式風(fēng)機(jī)簡化為對(duì)于總的葉輪進(jìn)、出口速度三角形的研究。由于進(jìn)出口通道的葉柵具有相同的葉片角 ，為研究方便起見，將葉輪葉柵進(jìn)口段（第一葉柵）和出口段（第二葉柵）展開成直線，并畫在一起。從而使問題的研究得以簡化，借助于速度三貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)角形，即可求得扭速 。下面我們來討論兩種情況：1 氣流徑向進(jìn)入葉輪，葉輪進(jìn)口弧線和出口弧線相等。這種情況的

26、氣流具有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）  子午速度 ；（2）  當(dāng)葉片角 改變時(shí)，扭速 不變，即                  const2 氣流徑向進(jìn)入葉輪，葉輪進(jìn)口弧大于出口弧。在這種情況下，排氣速度 比進(jìn)口速度 高，當(dāng)葉片角 改變時(shí)，滿足下列情況：             

27、     并且扭速不變，即                    =const若進(jìn)口弧線比出口弧線小，亦可得到類似的速度三角形。（二） 壓力系數(shù)和流量系數(shù)1 貫流式風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)可定義為：             

28、60;                                （2-1）試中：  - 平均全壓；        - 葉輪圓周速度；      

29、  - 氣體密度。根據(jù)歐拉方程和式（2-1）有：                                  （2-2）所以理論壓力系數(shù)為：         

30、60;                                    （2-3）實(shí)際氣流穿過葉輪時(shí)，流動(dòng)情況復(fù)雜，因此，必須對(duì)上式進(jìn)行修正，實(shí)際壓力系數(shù)變?yōu)椋?#160;      

31、                                          （2-4）        試中：&#

32、160;  - 全壓效率；                 - 考慮有限葉片影響的修正系數(shù)。        若平均取 ， ，則                   

33、60;                              （2-5）        利用試（2-5）可以求出各種情況下的 值，        一般 &#

34、160;                             所以 2 貫流式風(fēng)機(jī)的流量系數(shù)可表示為：                  

35、;          （2-6）          試中   -葉輪的寬度。          流量系數(shù)的范圍一般為：                

36、  小流量風(fēng)機(jī)                       中流量風(fēng)機(jī)                       大流量風(fēng)機(jī)   

37、0; （三） 反應(yīng)度                  （2-7）試中   、  - 氣流進(jìn)、出葉輪時(shí)的絕對(duì)速度。試（2-7）是近似的，利用試（2-7）可估計(jì)出上述情況的反應(yīng)度大小。一般，貫流式風(fēng)機(jī)的反應(yīng)度值在零附近，而流量較大的貫流式風(fēng)機(jī)，其反應(yīng)度一般為負(fù)值?？梢钥闯觯灹黠L(fēng)機(jī)的動(dòng)壓相對(duì)而言比其他風(fēng)機(jī)高。§2.3  貫流式風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的流動(dòng)分析前面提到過的離心式風(fēng)機(jī)及

38、軸流式風(fēng)機(jī)，其內(nèi)部氣流的流動(dòng)情況較為簡單。然而，貫流式風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的氣流的流動(dòng)情況則較為復(fù)雜。人們通過長期的觀察，發(fā)現(xiàn)在葉輪內(nèi)部存在一個(gè)旋渦，該旋渦的中心位于葉輪內(nèi)圓周附近靠近蝸舌的一側(cè)，如圖2-6所示。 圖2-6  葉輪內(nèi)部旋渦示意圖  其中 1-蝸舌，2-蝸殼渦心距葉輪軸心的距離用 表示，其中 為系數(shù)。葉輪內(nèi)的旋渦控制著整個(gè)速度場，而隨著流量的變化，旋渦中心沿圓周方向移動(dòng)。葉輪內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于貫流式風(fēng)機(jī)的研究具有重大的意義?，F(xiàn)在以葉輪進(jìn)、出口圓弧相等的簡單情況為例，來研究葉輪內(nèi)的氣流模型。設(shè)渦心位于葉輪內(nèi)圓 上的一點(diǎn) ，即取 ，在內(nèi)圓 上取一點(diǎn)A，其中距O

39、點(diǎn)的半徑為 。按照前面的分析，假定在圓周上存在一個(gè) 為常數(shù)的速度，又三角形AOC知：因此，該旋渦運(yùn)動(dòng)是一個(gè)簡單的位渦。由A點(diǎn)的速度三角形知                                      

40、60;      （2-9）從試（2-8）、試（2-9）可以看出，速度 是按照正切規(guī)律變化的，而且流線成圓弧形。從上述流動(dòng)模型可以推斷出，葉輪外圓周上各點(diǎn)的流體速度也是不一樣的，越靠近渦心， 其速度越大，相反的，靠近殼體一側(cè)的速度變小。而貫流式風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)等均為其平均值。人們從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，旋渦的位置接近內(nèi)圓周，即 時(shí)，性能較好。并且循環(huán)流的區(qū)域越小，性能越好。渦心位置不同時(shí)，流線的分布也不同。為了控制旋渦位置，并減小循環(huán)流的區(qū)域，可以在葉輪采用導(dǎo)向裝置。導(dǎo)葉的厚度對(duì)性能沒有什么大的影響。貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)第三章&

41、#160;  數(shù)值計(jì)算本次數(shù)值計(jì)算應(yīng)用的是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，模型的建立用的是。§3.1   模型的建立及網(wǎng)格的劃分§3.1.1   結(jié)構(gòu)的簡化和求解區(qū)域的劃分由于貫流風(fēng)機(jī)的葉輪為一軸向很長的筒狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)不考慮扇葉斜向分布的情況并忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可忽略空氣的軸向流動(dòng)。因此，就可以把實(shí)際貫流風(fēng)機(jī)的3D流動(dòng)問題，簡化為2D問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。所以，在建立模型時(shí)，只要取貫流風(fēng)機(jī)的任意截面作為建模的對(duì)象就可以了，這樣建立的模型就是2D的了。在建模的時(shí)候，把整個(gè)風(fēng)機(jī)外殼的進(jìn)口和出口的流道加長，并且加大進(jìn)口和出口處的流道的寬度。這樣會(huì)使流

42、入的氣流，在到達(dá)風(fēng)機(jī)葉輪之前，其各項(xiàng)參數(shù)在垂直于流道的截面上就已經(jīng)基本保持均勻。對(duì)于出口處，由于真實(shí)的貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，氣體流過貫流風(fēng)機(jī)后，經(jīng)過很短的流道就射入室內(nèi)。為了能比較真實(shí)的模擬氣流的運(yùn)動(dòng)，所以把出口處的流道也加長，也加寬，這樣氣流在流過風(fēng)機(jī)后，就會(huì)有一段擴(kuò)張段，比較符合實(shí)際的情況，便于初始條件的給定和求解（見圖3-1）。建立模型時(shí)，求解區(qū)域的劃分采用如下辦法：把整個(gè)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)化為三個(gè)求解區(qū)域。風(fēng)機(jī)葉輪以外的流動(dòng)區(qū)域?yàn)榈谝粋€(gè)求解區(qū)域；風(fēng)機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的環(huán)形區(qū)域?yàn)榈诙€(gè)求解區(qū)域（這次建模的時(shí)候，考慮了葉片的形狀，所以     

43、0;        圖3-1  貫流風(fēng)機(jī)的2D計(jì)算結(jié)構(gòu)與求解區(qū)域的劃分這個(gè)環(huán)形區(qū)域去除了葉片自身截面的面積）；風(fēng)機(jī)葉輪的內(nèi)部流動(dòng)區(qū)域?yàn)榈谌齻€(gè)求解區(qū)域（見圖3-1）。由以上的三個(gè)區(qū)域聯(lián)合起來組成整個(gè)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的求解區(qū)域。§3.1.2   求解區(qū)域網(wǎng)格的劃分在以上所建立模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)此模型中，風(fēng)機(jī)是要轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)，建立以轉(zhuǎn)子、流道及邊界為類型的動(dòng)、靜和邊界的三層網(wǎng)格。由于模型邊界的復(fù)雜性，為了保證在邊界處網(wǎng)格良好的貼體和光滑，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。整個(gè)求解區(qū)域共計(jì)生成了26592個(gè)網(wǎng)格

44、單元。其中，由第一個(gè)求解區(qū)域和第三個(gè)求解區(qū)域組成靜態(tài)網(wǎng)格區(qū)，其網(wǎng)格單元為10424個(gè)；第二個(gè)求解區(qū)域?yàn)閯?dòng)態(tài)網(wǎng)格區(qū)，其網(wǎng)格單元為16168個(gè)。所生成的網(wǎng)格見圖3-2。網(wǎng)格是應(yīng)用軟件生成的。由網(wǎng)格圖可以看到，在模型的入口和出口處的網(wǎng)格比較稀疏，接近風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)網(wǎng)格開始加密，在葉片與葉片之間的流道內(nèi)網(wǎng)格是最密的。網(wǎng)格由疏到密的過渡基本平滑，沒有明顯的跳躍。                     圖3-2

45、   計(jì)算網(wǎng)格的劃分 圖3-3   風(fēng)機(jī)周圍局部網(wǎng)格放大 圖3-4    葉片附近網(wǎng)格細(xì)節(jié)的放大§3.2   求解方法與過程本次數(shù)值計(jì)算應(yīng)用的是計(jì)算流體力學(xué)軟件，進(jìn)行2D-SIMPLE方法求解，采用 湍流模型。計(jì)算時(shí)，解的初始條件和邊界條件基本上是都是參考實(shí)際的工作條件和測試條件給定的。但為了使數(shù)值計(jì)算的結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)值相符合，設(shè)置邊界條件和初始條件時(shí)，在允許的范圍內(nèi)作了部分的修正。初始條件與邊界條件的具體設(shè)置為：取進(jìn)口和出口的邊界類型都為壓力條件的邊界類型，采用一階穩(wěn)定分離計(jì)算，取空氣的密度為：

46、1.225 ，進(jìn)口和出口處都取 水力直徑：；湍流密度：5%；靜壓都為：1atm；給進(jìn)口處一點(diǎn)動(dòng)壓： ；出口動(dòng)壓為： ；轉(zhuǎn)速為： 。計(jì)算的收斂條件為：連續(xù)性： ；X、Y方向速度： ；k： ；epsilon： 貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)第四章   計(jì)算結(jié)果與分析按照第三章中所給的初始條件及邊界條件，迭代2838步，結(jié)果收斂。其各個(gè)參數(shù)的圖像表示見以下各圖。§4.1   壓力場的結(jié)果與分析在流場壓力的等值線圖像之中，紅色代表高壓區(qū)，藍(lán)色代表低壓區(qū)（見圖4-1）。由等壓力線圖可發(fā)現(xiàn)，在靠近蝸舌偏右下方處有一個(gè)很明顯的低壓中心，這說

47、明在此處有回流，回流和入流的分離處是高壓，回流所卷成的渦就形成了低壓，氣體的回流在速度矢量圖上將會(huì)很清楚地看到。入氣端遠(yuǎn)離蝸舌側(cè)的邊界和葉輪交界處有一個(gè)高壓中心。由于高壓中心的存在，將導(dǎo)致氣流在此高壓中心的后側(cè)（來流方向）產(chǎn)生回流，使得由此處進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪的流量將非常少。這種情況和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全符合，在速度矢量圖上也有很清楚的表現(xiàn)。圖4-1  貫流風(fēng)機(jī)流場等壓力線圖圖4-2為局部放大的等壓力線圖，在進(jìn)風(fēng)口靠近蝸舌的地方，葉片左側(cè)的壓力大于右側(cè)的壓力，根據(jù)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），可以推出此處的葉片對(duì)氣流做的是正功。對(duì)于遠(yuǎn)離蝸舌的一側(cè)，其葉片兩側(cè)的壓力基本相當(dāng)，從壓力角度來分析做功的

48、情況，此處是風(fēng)機(jī)的做功無效區(qū)。這一點(diǎn)也可以通過后面的速度矢量圖看出來。圖4-2  局部放大的等壓力線圖§4.2   流場的結(jié)果與分析圖4-3、圖4-4為數(shù)值計(jì)算的速度矢量圖。由以下兩個(gè)圖可發(fā)現(xiàn)，在靠近蝸舌的一側(cè)，有一個(gè)渦，在此處產(chǎn)生了回流。而在入氣端遠(yuǎn)離蝸舌的地方，也產(chǎn)生了回流，迫使氣流涌向蝸舌處，使得氣流在靠近蝸舌處的流量為最大。在遠(yuǎn)離蝸舌一側(cè)的上游部分，幾乎沒有氣流流進(jìn)風(fēng)機(jī)葉輪。出現(xiàn)了這種情況，正好與對(duì)壓力場的分析相一致。即在遠(yuǎn)離蝸舌的地方是做功無效區(qū)，無氣流流入；而在靠近蝸舌的地方，風(fēng)機(jī)做正功，氣流主要由此處流入風(fēng)機(jī)葉輪。不僅如此，由于靠近蝸舌處存

49、在旋渦，氣流在靠近蝸舌處進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)又做了一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得氣流進(jìn)入葉片的方向性變得很差，加大了與葉片之間的攻角，又進(jìn)一步導(dǎo)致了能量的損失。由于所形成的低壓中心，并不在蝸舌與風(fēng)機(jī)葉輪中心的連線上，偏向于出氣口的方向，導(dǎo)致在蝸舌附近形成了很強(qiáng)的壓力梯度。因此，當(dāng)氣流流過蝸舌后，并不是直接都流向出口，而是有很大一部分要形成回流，與蝸舌上游的氣流相混合，進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪。圖4-3  貫流風(fēng)機(jī)流場的速度矢量圖圖4-4  局部放大的速度矢量圖圖4-5為其他人對(duì)貫流風(fēng)機(jī)流場的計(jì)算結(jié)果。圖4-5-1  流場的等壓力線圖圖4-5-2  流場的速度矢量圖 

50、0;  本文計(jì)算的結(jié)果與圖4-5相比較，結(jié)果是一致的。葉輪出口處，靠近蝸舌的部分都形成了一個(gè)低壓中心，形成回流區(qū)。渦心的位置看上去有一些差別，這是由于蝸殼的形狀不同造成的。在葉輪入口處，遠(yuǎn)離蝸舌的地方也都有產(chǎn)生了回流，只是本文所計(jì)算結(jié)果所顯示的此處回流區(qū)的渦不如圖4-5顯示的那么明顯。    此次計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是完全符合的（如圖4-6）?？拷伾嗵幜髁亢艽螅贿h(yuǎn)離蝸舌處，由于背側(cè)回流，葉輪內(nèi)部無煙跡，表明氣流無法進(jìn)入。圖4-6-1 出煙口放在靠近蝸舌處        

51、圖4-6-2 出煙口放在遠(yuǎn)離蝸舌處§4.3   流量的分析風(fēng)機(jī)的兩個(gè)性能參數(shù)是：流量系數(shù)（ ）、全壓系數(shù)（ ），它們的定義見式 （2-6） 和（ 2-1）。工程經(jīng)驗(yàn)是：在 處附近， 隨 的增大稍有下降，在 的范圍內(nèi)， 隨 的增加線性增加，當(dāng) 時(shí)， 迅速下跌。通過本次的數(shù)值計(jì)算，其流量可以直接由FLUENT讀出，比較方便。在當(dāng)前所設(shè)的初始條件和邊界條件下，貫流風(fēng)機(jī)的流量為：  （即 ）。此流量值符合實(shí)際情況。§4.4   小結(jié)貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)于空調(diào)工業(yè)的發(fā)展是十分重要的。利用數(shù)值計(jì)算所計(jì)算出來的流場的結(jié)果，可以為風(fēng)機(jī)

52、葉輪葉片及流道的形狀設(shè)計(jì)提供新的方案，充分適應(yīng)流場，來減少貫流風(fēng)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲。噪聲問題也同樣是貫流風(fēng)機(jī)的發(fā)展所遇到的非常棘手的問題，如能充分利用對(duì)貫流風(fēng)機(jī)流場的精確模擬來減少噪聲，將是非常有前途的。充分利用數(shù)值計(jì)算，還可以減少對(duì)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的成本，有利于我國空調(diào)工業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)我國空調(diào)工業(yè)在國際市場上的競爭能力。貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)第五章  雙葉輪風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析§5.1  工業(yè)背景隨著空調(diào)工業(yè)的發(fā)展，廣大的空調(diào)用戶已經(jīng)不再滿足于，目前普通的家用壁掛式空調(diào)單向送風(fēng)的現(xiàn)狀。而是希望空調(diào)能按自己的意愿采用上下雙重送風(fēng)

53、冷卻，或是選擇其中的一種情況。這也為降溫提供了一種可以考慮的選擇。為滿足廣大空調(diào)用戶的這種要求，空調(diào)廠家采用以下幾種解決方法：一種是：采用單風(fēng)機(jī)的形式，只是把風(fēng)機(jī)葉輪的每一節(jié)作了變動(dòng)，每隔一節(jié)葉輪的葉片方向就做一次翻轉(zhuǎn)。采用了這樣的葉輪后，當(dāng)風(fēng)機(jī)沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，其中一部分的葉輪起作用。而當(dāng)風(fēng)機(jī)沿著反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，剩下的那一部分的葉輪起作用，這樣做節(jié)省了原材料和空調(diào)機(jī)的體積，但其缺點(diǎn)也是不言而喻的，那就是其流量將受到很大的影響。另一種是：對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪葉片的形狀作修改，這種方法也同樣是采用單風(fēng)機(jī)的形式。普通風(fēng)機(jī)葉片的形狀見圖（5-1）。只有沿著某一特定的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，此種  

54、                圖5-1 普通葉型                圖5-2  改進(jìn)的葉片模型葉片才起作用。而對(duì)于改進(jìn)的葉片形狀(見圖5-2)，風(fēng)機(jī)沿著任意一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，葉片都能起作用。但這種設(shè)計(jì)也同樣是存在著缺陷的。此種葉片設(shè)計(jì)形狀，只考慮了氣流流出葉輪時(shí)的情況，即沿著任意

55、的旋轉(zhuǎn)方向，都能保證氣流順利流出。但卻忽略了對(duì)于貫流風(fēng)機(jī)來說，葉片的一端既是出口，同時(shí)也是入口。此種改進(jìn)的葉片，當(dāng)其分叉端旋轉(zhuǎn)到流道的出口方向時(shí)，為出口端。但當(dāng)其分叉端旋轉(zhuǎn)到入口方向時(shí)，他又變成了入口端。作為出口端這種設(shè)計(jì)是可以接受的，但作為入口端，此種設(shè)計(jì)就不利于進(jìn)氣，導(dǎo)致了流量的減少。還有一種方法就是采用雙葉輪風(fēng)機(jī)模型。即在空調(diào)的室內(nèi)機(jī)部分，裝有兩個(gè)葉輪，其葉片的方向正好相反。對(duì)于不同的出氣方向，選用不同的葉輪讓其旋轉(zhuǎn)，就可以達(dá)到上述用戶的要求。此種設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)就是需要兩個(gè)葉輪，提高了成本。但其流量是不會(huì)受到很大的影響的。隨著生產(chǎn)原材料的降價(jià)，此種方案還是可以應(yīng)用的。下面就是對(duì)雙葉輪風(fēng)機(jī)

56、系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析。§5.2   雙葉輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析§5.2.1   數(shù)值計(jì)算雙葉輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型的建立如圖5-3、5-4所示。仍然采用非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，建立以轉(zhuǎn)子、流道和邊界為類型的動(dòng)、靜和邊界的三層網(wǎng)格。 圖5-3    雙葉輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型    數(shù)值計(jì)算，仍然進(jìn)行2D-SIMPLE方法求解，采用 湍流模型。邊界條件如下給出：取空氣密度 。進(jìn)口和出口仍然設(shè)置為壓力邊界條件，水力直徑： ，湍流密度： 。工作環(huán)境的壓力為 。入口動(dòng)壓為： ，出口

57、動(dòng)壓為： ，葉輪轉(zhuǎn)速為： 。計(jì)算的收斂條件為：連續(xù)性： ；X、Y方向的速度： ；k： ；epsilon： 。迭代了2078步，計(jì)算結(jié)果收斂了。 圖5-4    雙葉輪風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格的劃分 圖5-5    網(wǎng)格的局部放大貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬(畢業(yè)論文封面+畢業(yè)論文致謝)§5.2.2   計(jì)算結(jié)果及分析如圖5-6為雙葉輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的壓力場。對(duì)于每一個(gè)風(fēng)機(jī)葉輪附近的壓力場來說，其與單葉輪風(fēng)機(jī)的壓力場基本相同。出口處靠近蝸舌的地方存在一個(gè)很明顯的低壓中心，在此處也將產(chǎn)生回流。   

58、;                     圖5-6  雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的等壓力線圖然而對(duì)于左右完全對(duì)稱的模型（其邊界條件也是完全對(duì)稱的），其流場卻不是穩(wěn)定的，偏向某一個(gè)方向。在兩個(gè)葉輪中間，其等壓力線產(chǎn)生了彎曲和變形，這是引起不穩(wěn)定的主要區(qū)域。在速度矢量圖中，左右葉輪附近的流場基本相同，與單葉輪風(fēng)機(jī)的情況也基本一樣。圖5-7只給出了右輪附近的流場。很明顯能看到和單葉輪風(fēng)機(jī)一樣的回流區(qū)，在入口

59、處遠(yuǎn)離蝸舌的邊界處也有一個(gè)回流區(qū)，由于此回流區(qū)的存在，阻礙了氣流由此處流進(jìn)風(fēng)機(jī)葉輪。氣流絕大部分是由靠近蝸舌處一側(cè)的葉輪部分流入的。但在兩輪的中間部分產(chǎn)生了非穩(wěn)定性。如圖5-8所示，在兩輪中間，靠近右輪的中上部，有一個(gè)比較小的速度渦，使得有一部分氣流由左輪流向右輪，導(dǎo)致了非穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中，也明顯的發(fā)現(xiàn)了非穩(wěn)定性。在做雙葉輪風(fēng)機(jī)的煙氣實(shí)驗(yàn)中，把發(fā)煙器的出口放到兩葉輪之間的中上部，發(fā)現(xiàn)煙氣一會(huì)偏向左輪，一會(huì)偏向右輪，出現(xiàn)周期性的左右擺動(dòng)。但其流動(dòng)性比較差，在此處停留的時(shí)間較長（見圖5-9）。如果把發(fā)煙器的出口放到某一葉輪的上方，則其流動(dòng)與單風(fēng)機(jī)時(shí)一樣，穿過葉輪流出（見圖5-10）。雖然有非穩(wěn)定性

60、，但其兩側(cè)出口的流量差別還是比較小的。在數(shù)值計(jì)算中，左側(cè)出口的流量為： ，右側(cè)出口的流量為：  。                         圖5-7   右輪附近的速度矢量圖             &

61、#160;          圖5-8   兩輪中間部分的速度矢量圖             圖5-9 發(fā)煙器出口在中間                  圖5-10 發(fā)煙器出口在左輪上方 

62、 由計(jì)算所得的流場圖像，非穩(wěn)定性是由于在兩個(gè)葉輪中間存在著兩個(gè)葉輪的相互影響區(qū)域，如果把這個(gè)區(qū)域排除掉，那么流場就應(yīng)該是比較穩(wěn)定的了。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了這一點(diǎn)。如圖5-11、5-12，原雙葉輪風(fēng)機(jī)的模型中，在兩個(gè)葉輪中間加了一個(gè)豎板，正好能把兩輪的相互影響區(qū)分開。計(jì)算結(jié)果就有了很強(qiáng)的穩(wěn)定性，其流場的左右對(duì)稱性也有了很大的改善，這就證明了以上關(guān)于非穩(wěn)定性的分析是正確的。實(shí)驗(yàn)中此種現(xiàn)象也是很明顯的。對(duì)于雙葉輪風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，有時(shí)并不需要兩個(gè)葉輪同時(shí)轉(zhuǎn)。在一個(gè)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其流場的情形，及左右出口流量的關(guān)系也是廠家很關(guān)心的。在左輪轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)出口不加擋板，則氣流由右側(cè)出口的損失大小是多少。計(jì)算結(jié)果表明，

63、其損失量很少，而且其流場與單葉輪風(fēng)機(jī)時(shí)基本相同。                      圖5-11  中間加了豎板的等壓力線圖 圖5-12   中間加了豎板的速度矢量圖                     圖5-13    只有左輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的等壓力線圖如圖5-13、5-14所示，只令其左輪旋轉(zhuǎn)，右輪保持靜止。可以很清楚地看到，氣流絕大部分都流向了左側(cè)的出口，和單葉輪風(fēng)機(jī)的流場基本上是相同的。右輪的存在不會(huì)對(duì)左輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流場，有很大的影響，滿足工業(yè)上的要求。由fluent直接讀取其流量值，在此種工作條件下，左側(cè)出口的流量為： ，右側(cè)出口的流量為： 。很明顯可以看出只有極小一部分的氣流從右側(cè)出口流出，保證風(fēng)機(jī)能正常工作。